给谁的一封信作文格式:舰船用结构材料的现状与发展

舰船用结构材料的现状与发展

作者：admin 发表时间：2010-01-23 21:29:41

舰船是海军最重要的装备。舰船结构材料构成了海军装备完整性和先进性的基础,是舰船装备发展的主体材料,直接影响海军整个系统的运行、维护和安全。开发高性能的先进结构材料可能会增强舰船作战能力和降低服役期的成本。本文主要介绍国内外舰船结构材料在船体结构、推进器和武器装备方面的应用及发展现状。

1 船体结构

舰船船体结构用材料主要是船体结构钢、铝合金和钛合金。

1.1 船体结构钢
船体结构钢是现代舰船建造最主要、最重要、最关键的结构材料,其性能优劣直接关系舰船战术性能的提高。船体结构钢作为船体结构材料,必须具有足够的强度和韧性、良好的工艺性及耐海水腐蚀性能。第二次世界大战后,世界各军事强国为了满足舰船装备的发展需求,研究开发了系列高强度舰船用钢。
美国的船体结构钢从50年代就开始建立HY系列高强度结构钢的体系平台。发展了综合性能好的屈服点达到55 MPa级HY-80钢,该钢用于美国海军第二代的弹道导弹核潜艇——“伊桑·艾伦”级核潜艇的全部耐压壳体,该级艇的最大下潜深度可以达到300 m[1]。在HY-80钢基础上,改变合金含量及回火温度以提高强度,研制了屈服点690 MPa级HY-100钢。该钢1966年用于航空母舰飞行甲板。20世纪60年代中期,美国研制了屈服点不低于896 MPa级HY-130钢,其军用规范是MIL-S-24371B。一直到80年代,HY系列钢仍然是美国舰船的主要结构用钢。美国用HY-130钢建造的“海狼”号最新式攻击型核潜艇,下潜深度可达560 m。
   进入20世纪80年代后,随着超低碳、超纯净钢冶炼、微合金化及控轧控冷等冶金技术的发展,美国开始研制不需预热或者只需较低温度预热就能焊接的HSLA系列钢。开发的HSLA-80钢其强韧性已达到HY-80钢的水平,而焊接性更好。HSLA-80钢因具有优良的焊接工艺性能,且合金元素含量低,从而简化了舰船的建造工艺,大大降低了舰船成本,使船体结构钢的开发进入了一个新时代。该钢于1984年纳入美国军标(MIL-S-24645)。已用于“黄蜂”级两栖攻击登陆舰的主要结构,并被选为气垫船的船体材料。在HSLA-80钢的基础上,美国海军于1985年研制了具有优良的焊接工艺性能的HSLA-100钢以代替HY-100钢,1990年美国已制订了其军用规范MIL-S-24645A,该钢可在比HY-100钢更低的焊接预热/层间温度下施焊,从而降低了建造成本。HSLA-100钢已部分代替HY-100钢用于航母。
HSLA-65钢是一种低碳含锰钢,不预热就可焊接。美国已制定了ASTM945标准,此钢可以取代HTS钢,其屈服强度达445.9 MPa[2]。美国海军从20世纪90年代开始对HSLA钢及其配套材料进行了系统的研究,目前已取得卓有成效的进展。
除美国外,近年来,俄罗斯、日本、法国、英国等国家也开发了系列高强度舰船用钢。日本舰艇用钢研制开发水平是很高的。列入防卫厅规格的就有Ns30、Ns46、Ns63、Ns80、Ns90、Ns110等各级舰艇用钢。俄罗斯60年代所形成的比较完整的AK系列钢,目前已逐渐被AB系列钢所取代。法国在第二次世界大战后开发了60HLES、80HLES、100HLES三代潜艇耐压壳体用钢。英国、澳大利亚海军为降低潜艇建造成本,分别都研制了强度和韧性相当于美国的HY-100钢的低合金高强度钢,如英国准备用于最新设计的SSN-20核潜艇的Q2N钢和澳大利亚用于新型“科林斯”级潜艇的BIS812EMA钢均属此类钢。
我国从60年代初开始,通过研仿试制成功了主要舰船用钢,如921、922、923钢和其配套使用的604、607、608铸钢及925锻钢,907、917钢等等。从60年代后期至70年代开始,自行研制我国第一代舰船用钢,由于当时历史条件及立足国内资源,根据当时“要大力开展无镍代用合金钢研究”指示和独立自主的技术路线,自行研制成功锰系无镍铬901、902、903低合金船体钢和低镍铬的904等舰艇用钢及配套材料。这些自行研制的舰船用钢在我国海军舰艇建造中得到了成功的应用,已用这些钢建造了几十种型号舰艇和军辅船。进入80年代,海军装备有了很大发展,对舰船用钢提出了越来越高的要求,第一代舰艇用钢满足不了现代海军的需求。在对第一代舰船用钢进行改进提高并开始研制综合性能更好的第二代舰船用钢及其配套材料。日前在结构钢及配套材料方面正在逐步形成以强度级别为系列,
品种规格较完整的耐蚀可焊钢系列,主要代表有390 MPa级907A系列钢、440 MPa级945系列钢、590 MPa级921A系列钢、785 MPa级980系列钢等。921A、922A、923A钢及其配套材料是我国最主要的潜艇用钢。921A系潜艇用钢及其配套材料的基本性能水平类同于当代世界同强度级别潜艇用钢水平。我国舰船用钢40年来的研制与发展基本上满
足了不同时期舰船建造的需要,但是与国外先进海军国家舰船用钢相比还有一定差距。

1.2 船体用铝合金
近年来,由于能源短缺的加剧以及全球环保运动的日益高涨,舰船的轻量化及合金材料再生利用的要求,使铝合金在实际应用中得到进一步的发展。铝合金由于具有密度小、比强度大以及无磁性、高导电性和导热性等特点,已被用于建造中小型舰艇,主要目的是减轻舰艇的重量、提高航速和各种性能。
20世纪60年代,美国海军先后开发出属于Al-Mg系合金的5086-H32和5456-H32铝合金板材,5086-H111和5456-H111铝合金挤压型材。随后,又研制开发了耐海水腐蚀性能良好的Al-Mg-Si系合金,及中强可焊的Al-Zn-Mg系合金。目前,在船壳体结构上用的铝合金主要是5083、5086、5456这三种合金,它们的耐腐蚀性能、机械性能和焊接性能都很好。1966~1971年美国建成14艘“阿希维尔”级高速炮艇,这是第一批全铝军舰,标准排水量225 t,船长50.2 m,宽7.2 m,吃水2.9 m,航速40 n mile,主甲板和船底板为12.7 mm厚的5086-H32铝合金,型材用5086-H112铝合金,全艇共用了71 t铝材,全部用氩弧焊焊接。1981年美国波音公司船舶系统建造了6艘铝船体水翼导弹巡逻艇,艇长40m,宽8.6 m,采用5456铝合金焊接结构。美国海军新近装备一型航速高达42 kn的江海特种作战艇(SOCR),该艇艇体采用铝合金制造,艇长10.1 m,宽2.75 m,高速行驶时吃水只有0.23 m。俄罗斯在
船体上使用较多的是Al-Cu-Mg系合金,作为快艇壳体材料。俄罗斯已有各种类型的铝合金高速艇船1 000艘,广泛应用于军事。英国奈杰尔·吉协会有限公司为美国海军提出了X-Craft运输船设计方案,用于快速运输,该船采用双体船设计和铝合金材料,排水量1 000 t,采用喷水推进,最高航速50 kn,合同设计定于2003年初完成,2004年中期完成建造工作[4]。
我国于60年代以后形成舰船及装甲板用的铝合金系列,如LF系、LD30、LD31、919铝合金、147、4201和180铝合金(也称2103合金)等。目前,我国船体结构上主要使用180合金。60年代初,我国用LY12CZ铝合金做船体,也成批建造了水翼快艇。80年代,我国用180合金,采用焊接工艺建成了一艘全铝结构的海港工作艇“龙门”号,该艇长7 m,宽2m,型深0.8 m。

1.3 船体用钛合金
由于现代潜艇要求下潜深度愈来愈大,钛合金具有高比强度、耐海水腐蚀、无磁性等特点,在潜艇上的应用相当广泛。是制造潜艇和深潜器耐压壳体极有前途的材料,各国都很重视船用铁合金的研究开发。
国外早在20世纪50年代就开展了钛合金的应用研究,70年代以后,钛合金广泛应用于潜艇和深潜器的耐压壳体。俄罗斯在建造钛合金核潜艇研究和制造技术上,处于国际领先地位,也是用钛合金建造耐压壳体的唯一国家。研究开发的船用钛合金牌号有:船体用钛合金ΠT-1M、动力工程用钛合金OT4-1B,ΠT-3B、40、5B、23a等。到目前为止俄罗斯研制的核潜艇已有四代。从第一代661型(P级)试验性核潜艇开始就采用钛合金作耐压壳体,如在20
世纪70年代初开始研制并引起世界广泛关注的A级攻击型核潜艇,该艇是采用铁合金作为船体材料,是核潜艇中最先进的一型核潜艇。俄罗斯“阿尔法”级核潜艇耐压壳体是用钛合金制造的,据称下潜深度可达900 m,水下航速42 kn。美国也对钛合金进行了大量的工程研究,成功地将钛用于各类动力的潜艇、水面艇。开发应用的钛合金主要有:Ti-0.3Mo-0. 8Ni、Ti-3Al-2. 5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8 Mo等。在深潜器耐压
壳体的应用方面美国开展得比较早,美国用钛合金制造的载人深潜器sikliff号,下潜深度为6 100 m。Alvin科研深潜器,1973年改建造时将HY-100高强度钢耐压壳体换成钛合金,下潜深度从2 000 m增加到3 600 m。1984年,法国建造的载人深潜器的耐压壳体由钛合金制造,下潜深度为6 000 m。
我国船用钛合金的研究始于20世纪60年代。几十年来,研究开发的船用钛合金基本能满足水面船舶、潜艇和深潜器用的不同强度级别的要求并适用于其不同部位。

2 螺旋桨材料

传统的螺旋桨材料主要有耐海水腐蚀性较高的锰黄铜和耐海水腐蚀性较高、抗空泡腐蚀性能优良的铝青铜。在第二次世界大战以前锰黄铜是舰船螺旋桨的主要用材,但是随着舰船不断向专业化、大型化、高速化以及使用环境的变化,需要开发新的螺旋桨材料,在传统螺旋桨材料的基础上研制开发了性能优异的Ni-Al青铜螺旋桨材料。Ni-Al青铜抗拉强度、腐蚀疲劳强度及抗空泡腐蚀性能均较高,世界各国广泛用来制造舰船螺旋桨,如:1955~1956年
间美国大约有20%的军舰用Ni-Al青铜螺旋桨。日本目前大量使用自行研制的ASB4和ASB6两种Ni-Al青铜材料螺旋桨。法国、意大利和前苏联从70年代初开始研制Ni-Al青铜,并用其制造舰船螺旋桨。我国70年代末开始研制Ni-Al青铜螺旋桨材料,80年代初达到了实用化。
为了进一步提高Ni-Al青铜螺旋桨材料的抗拉强度和腐蚀疲劳强度以及降低螺旋桨的噪声,近些年来日本和西欧各国进行了新的研究。如日本已研制的MCRS不锈钢和芬兰的高强度马氏体不锈钢Arclok1000螺旋桨材料具有比Ni-Al青铜更高的强度、冲击韧性和腐蚀疲劳强度。德国AIR公司研制出一种碳纤维环氧的螺旋桨,比金属桨推进效率提高3%~10%,减轻重量25%~35%,有利于快艇加速;另外,新型桨阻尼性好,可降低噪声约5 dB。英国QinetiQ公司经过3年研制,已成功完成世界最大复合材料螺旋桨的海试工作。该桨直径2.9 m,有5个复合材料桨叶在镍铝铜合金桨轴上,安装在“海神”号三体试验舰进行了性能测试。海试表明该桨为大幅降低震动,运转平稳。螺旋桨采用复合材料可增加桨叶厚度,降低空泡产生,减少噪声,重量比传统螺旋桨轻得多,可用于对重量要求苛刻的吊舱式电力推进系统的舰船上[5]。

3 武器装备

目前水中兵器的大部分壳体仍采用传统的金属材料。美国对于耐蚀性要求高而强度要求不高的鱼雷壳体采用AA606l-T6铝合金,而对耐蚀性和强度要求均高的鱼雷壳体则采用AA7175-T73铝合金。
强大攻击力的重型鱼雷是必备的杀伤武器。这样,对鱼雷壳体用金属基、非金属基材料技术提出了高强、轻质及制造技术等更高的要求。因此用Al-Li合金、金属间化合物、永磁材料等金属材料以及金属基、陶瓷基、树脂基等复合材料构成了鱼雷用材料体系。
Al-Li合金是具有代表性的新金属材料,此类合金重量轻、强度高、耐蚀性好且具有极好的低温韧性,美国海军已用新研制的AA5291 Al-Li合金(密度为2.57 g/cm3)锻件制造重型鱼雷燃料舱。舰载先进武器如舰载战斗机、扫雷具等的发展也对若干先进结构材料提出新的需求。

4 结束语

随着海军舰船的更新换代和现代冶金技术的发展,必然要对现有舰船用结构材料进行改进、完善配套、提高性能、降低成本、更好地挖掘其能力,满足现代舰船的需要,获得最大的社会和经济效益。世界各先进海军国家都在继续抓紧开发研制新的舰船用结构材料。在研究发展新型高强度舰船船体钢方面,国外利用当代最新冶金成就正在大力开发热机械控轧(TMCP)钢、超低碳贝氏体钢(ULCB)和加速冷却/直接淬火(AC/DQ)钢等,以满足现代海军舰船用钢高性能、低成本的要求。在铝合金方面,新开发的快速凝固/粉末冶金(RS/PM)工艺可全面提高铝合金的性能。国内外已出现了几种典型的铝合金,如高强耐蚀的Al-Zn-Mg-Cu(7090、7091和X7093)系铝合金等。高强度耐蚀不锈钢、先进复合材料在螺旋桨上的应用使螺旋桨材料的研发又上了一个台阶。而在鱼雷结构上采用质轻、耐蚀、高强度的Al-Li合金为提高鱼雷性能提供了一个新的途径。
我国舰船用结构材料的研制与开发应根据海军舰艇装备发展需求,结合国内外舰船用结构材料的研制与发展趋势,充分利用现代材料科学成就和冶金工业新技术,改进现有舰船用结构材料,扩大品种规格,使整体质量水平上一个台阶,满足现阶段海军装备使用。此外还要根据需求牵引和未来海军装备发展需要,开发、研制确有使用价值、成本低廉、工艺简单的舰船用结构材料,以缩短与国外先进海军国家的差距。
[参考文献]
[1] 齐耀久.承上启下“伊桑·艾伦”级弹道导弹核潜艇.现代舰船[J].2003.208(3):30~32
[2]   Deloach J J, etal. Current Welding ConsumablesResearch in the U.S.Navy.ADA274348,1994
[3] 美国海军装备新型高速艇.舰船知识[J].2003.282(3):3
[4] 英国为美国设计新型运输舰.现代舰船[J].2003.208(3):7
[5] 世界最大复合材料螺旋桨完成海试.现代舰船[J].